Крупные города мира растут. По оценкам ООН, сегодня примерно половина населения мира уже живет в городах. Ожидается, что к 2050 году эта цифра вырастет до двух третей населения мира. «Этот рост предъявляет высокие требования к безопасности зданий и инфраструктуры, поскольку события повреждения могут поставить под угрозу тысячи человеческих жизней одновременно», — говорит Сяосян Чжу, профессор по обработке сигналов при наблюдении за Землей в TUM.
Вместе со своей командой она разработала метод раннего обнаружения потенциальных опасностей: например, проседание грунта может привести к обрушению зданий, мостов, туннелей или плотин. Новый метод позволяет обнаруживать и визуализировать изменения размером до одного миллиметра в год.Трехмерные радиолокационные виды основных городов мира
Данные для новых городских изображений получены с немецкого спутника TerraSAR-X, самого высокого в мире гражданского радиолокационного спутника с самым высоким разрешением. Облетая вокруг Земли на высоте около 500 километров с 2007 года, спутник посылает на Землю микроволновые импульсы, а затем собирает их эхо. «Изначально эти измерения выполняются только на двухмерном изображении с разрешением в один метр», — объясняет Чжу.Профессор ТУМ сотрудничает с Немецким аэрокосмическим центром (DLR), где она также возглавляет собственную рабочую группу. DLR отвечает за эксплуатацию и использование спутника в научных целях. «Значимость изображений ограничена тем фактом, что отражения от различных объектов, находящихся на равном расстоянии от спутника, будут накладываться друг на друга.
Этот эффект уменьшает трехмерный мир до двухмерного изображения».Чжу не только разработала свой собственный алгоритм, который позволяет реконструировать третье и даже четвертое (временное) измерение, но и установила мировой рекорд: реконструируются четырехмерные облака точек с плотностью три миллиона точек на квадратный километр. . Эта богатая извлеченная информация позволяет создавать высокоточные четырехмерные модели городов.
Различные ракурсы создают трехмерное радиолокационное изображениеУловка: ученые используют изображения, сделанные с несколько разных точек зрения.
Спутник облетает интересующий регион каждые одиннадцать дней. Однако его положение на орбите не всегда точно такое же. Исследователи используют эти 250-метровые орбитальные вариации в радиолокационной томографии, чтобы локализовать каждую точку в трехмерном пространстве.
В этом методе используется тот же принцип, что и в компьютерной томографии, которая создает трехмерное изображение внутренней части человеческого тела: различные радиолокационные изображения, снятые с разных точек зрения, объединяются для создания трехмерного изображения.«Поскольку этот метод обрабатывает только низкое разрешение в третьем измерении, мы применяем дополнительные методы измерения сжатия, которые позволяют улучшить разрешение в 15 раз», — говорит Чжу.Ученые могут использовать радиолокационные измерения TerraSAR-X для восстановления городской инфраструктуры на поверхности Земли с большой точностью, например трехмерной формы отдельных зданий. Этот метод уже использовался для создания высокоточных трехмерных моделей Берлина, Лас-Вегаса, Парижа и Вашингтона, округ Колумбия.
Четвертое измерениеПоскольку изображения делаются в разное время, можно оценить изменение во времени — четвертое измерение — порядка доли длины волны радара. Полученная в результате четырехмерная модель выявляет крошечные изменения с точностью порядка одного миллиметра в год, например, тепловое расширение зданий летом или деформации, возникающие в результате проседания под поверхностью Земли. Чжу объясняет: «Этот метод подходит для обнаружения опасных мест.
Таким образом, спутниковые технологии могут внести важный вклад в повышение безопасности нашей городской инфраструктуры».В будущем исследователи даже намерены наблюдать за ростом крупных городов. В недавно запущенном проекте ERC "So2Sat" все мегаполисы мира наносятся на карту и наблюдаются на долгосрочной основе.
Исследования сосредоточены на новых индустриальных странах, где целые городские кварталы возникают практически в одночасье. Чжу и ее команда планируют впервые использовать различные источники больших данных: измерения со спутников будут объединены с картографической информацией из Open Street Map и практически неограниченным потоком изображений, текста и шаблонов действий, предоставляемых социальными сетями.
